纳米自旋电子材料与器件团队
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研究生张闰午在性能优良的大能隙二维拓扑绝缘体取得新进展,并在Nanoscale期刊上在线发表学术论文

  二维Z2拓扑绝缘体具有丰富的物理内涵,且可用于制备低功耗电子器件,近年来已成为凝聚态物理和材料科学领域的研究前沿。然而截止到目前仅HgTe/CdTe和InAs/GaSb两个量子阱体系在实验中观测到了量子自旋霍尔效应,且它们体能隙太小,只能在极低温条件下工作。此外,这两个体系的制备很复杂,而这也极大得限制了它们的应用。因而寻找性能优良的大能隙二维Z2拓扑绝缘体材料对进一步的理论和实验研究以及未来的器件应用都具有至关重要的意义。

  基于第一性原理计算,我们预言了二维铋基同素异形体-Bismuthylene,如图1(a)所示,其带隙能够达到0.28 eV,远高于室温能标(约26meV)。通过能量比较发现,它比铋烯更稳定(铋烯已在SiC衬底上成功制备arXiv:1608.00812)。我们发现该体系的低能能带主要是由Bi的p轨道所构成。此外,局域在边缘上的拓扑边缘态具有无耗散导电通道,如图1(b)所示。同时,该材料的体能隙可通过双轴应力和外加电场能够进行有效调控,如图1(c)所示。同时在BN衬底进行生长机理研究发现如图1(d),材料的拓扑特性得以很好地保护,进而解决了其在衬底生长问题,便于获得更佳的实验易操控生长方案,为开发新型大带隙铋基拓扑量子器件打下坚实的基础。上述研究结果发表在Nanoscale, 2017, DOI: 10.1039/C7NR01992K上。

  济南大学物理科学与技术学院张闰午同学(2016届硕士研究生)为此项工作的第一作者,张昌文教授(济南大学)/姚裕贵教授(北京理工大学)为该工作通讯作者。本工作是在国家自然科学基金项目(Nos.11434006, 11574029)和科技部重点项目(Nos. 2016YFA0300600, 2014CB920903)的大力支持下完成。